Дэлхий даяар сая сая хүмүүсийн хувьд титан ортопед суулгац нь эмнэлгийн хэрэгслээс илүү байдаг бөгөөд тэдгээр нь гэмтэл, доройтлын өвчний дараа хөдөлгөөнийг сэргээдэг амьдралыг өөрчлөх арга хэмжээ юм. Амжилттай түнх солих эсвэл нугасны уусгах ажил бүрийн цаана титан хүний биологитой хосгүй хамтын ажиллагаа байдаг: араг ясны бүтцэд ачаалал өгөхгүй хөнгөн, олон арван жилийн биомеханик стрессийг тэсвэрлэх хангалттай хүчтэй, амьд эд эстэй нэгдэх био нийцтэй. Энэхүү нийтлэл нь титан ба түүний хайлш нь хэрхэн ортопедийн үндэс суурь болсныг авч үзэхийн зэрэгцээ түүний ирээдүйг өөрчлөх шинэлэг шинэлэг зүйлсийг судлах болно.
Титан ба түүний хайлш: Биометалл нуруу
Титан нь биологийн супер хүчээ имплантын шинжлэх ухаанд хэдэн арван жилийн турш ажиглагдаагүй атомын харилцан үйлчлэлээс авдаг. Цэвэр титан нь хамгаалалтын исэл давхаргаар дамжуулан зэврэлтээс маш сайн хамгаалдаг бол Ti-6Al-4V ELI (Хэт бага завсрын) нь хөнгөн цагаан/ванадийн тэнцвэрийг оновчтой болгосноор үе солиход давамгайлдаг. Хөнгөн цагаан нь альфа фазын талст бүтцийг бат бөх болгохын тулд тогтворжуулдаг бол ванадий нь хагарлын эсэргүүцлийг хангахын тулд бета фазын үүсэлтийг хянадаг. Эмнэлзүйн хувьд энэ нь ташааны иш нь сая сая алхалтын мөчлөгийг хагаралгүйгээр тэсвэрлэдэг гэсэн үг юм.
Ti-12Mo-6Zr-2Fe зэрэг шинэлэг хайлшууд одоо уламжлалыг сорьж байна. Никель харшилтай хүмүүс эдгээр никельгүй найрлагаас ашиг хүртдэг бол тэдгээрийн бага уян хатан модулиуд (Ti-6Al-4V-ийн 75 GPa ба 110 GPa) нь кортикал ясны механиктай илүү сайн тохирдог. NYU Langone-д энэхүү бууралт нь уламжлалт хайлштай харьцуулахад дунд чөмөгний суулгацын эргэн тойронд стрессээс хамгаалах ясны шимэгдэлтийг 29%-иар бууруулсан.
Титан яагаад ортопедийн салбарт тэргүүлдэг вэ?
Гурван шинж чанар нь титаны ноёрхлыг хуурамчаар үйлдсэн:
- Биомеханик зохицол: Зэвэрдэггүй гангийн хөшүүн чанар (200 GPa) шалтгаан болдог стрессээс хамгаалах, хаана хамгаалагдсан ясны хатингаршил. Титан хайлшийн 100-110 ГПа модуль нь трабекуляр ясанд (10-30 ГПа) ойртож, стрессийг илүү байгалийн байдлаар хуваарилдаг. Үр дүн? Цементгүй титан гуяны 94 жилийн хугацаанд 15% эсэн мэнд амьдрах чадвартай, хатуу бол 80% кобальт-хром иш (H.S.S. Бүртгэлийн мэдээлэл).
- Ясны интеграцийн давуу байдал: Титан исэлдэх үед түүний гадаргуу нь ястай химийн холбоо бүхий био идэвхит TiO₂ давхаргыг үүсгэдэг. Судалгаанаас үзэхэд энэхүү интеграци нь биоинертээс 3 дахин их бэхэлгээний хүчийг бий болгодог ЗОРИЛГО полимер интерфейс (Биоанагаахын материалын судалгааны сэтгүүл, 2022).
- Ядаргаанд тэсвэртэй байдал: ASTM F136-д нийцсэн титан нь 10 МПа-д 500 сая циклийг тэсвэрлэдэг бөгөөд энэ нь 30 жил алхахтай тэнцэнэ. 2015-2019 оны хооронд ACL сэргээн босгох товчлуурууд хагарахад нэг нь ч титан хийц байгаагүй (FDA MAUDE мэдээллийн сан).
Үндсэн хэрэглээ: Титан нь үр дүнг өөрчилдөг газар
- хамтарсан Сэргээн босголт: Цементгүй ацетабуляр аяга нь титаны ясыг холбох чадварыг дээшлүүлдэг. Элсэнцэртэй титан гадаргуу нь 6 долоо хоногийн дотор ясыг ургуулдаг. Зиммерийнх Trabecular Metal™ Энэхүү технологи нь 80%-ийн сүвэрхэг чанар бүхий ясны ясны бүтцийг дуурайлган улам бүр урагшлуулж байна.
- Гэмтэл Тогтмол: Шахалтын хавтанг түгжих (LCPs) нь титаны уян хатан чанарыг ашигладаг. Буталсан хугарлыг засах үед эдгээр ялтсууд нь ядаргааны бат бөх чанарыг алдагдуулахгүйгээр ясны жигд бус байдлыг хангадаг бөгөөд энэ нь хэврэг кобальт-хромын хайлштай үед боломжгүй юм.
- Нурууны нуруу: Титан нь MRI-д нийцдэг тул умайн хүзүүний торонд тохиромжтой. 3D хэвлэсэн тор (жишээ нь, Medtronic TiONIC™) судасжилтыг хөнгөвчлөх 600 микрометрийн нүх сүвээр хайлалтыг хурдасгана.
Материалын зэрэглэлийг тайлсан: Эмнэлзүйн гүйцэтгэлийн ASTM стандарт
| -р ангийн | Түлхүүрийн шинж чанарууд | Нийтлэг хэрэглээ |
|---|---|---|
| 2-р анги | Хамгийн өндөр уян хатан чанар (20% суналт) | Утасны cerclages, гавлын тор |
| 5-р анги | Тэнцвэртэй хүч/модуль (Ti-6Al-4V) | Ортопедийн эрэг, хип иш |
| 23-р анги | Сайжруулсан хугарлын бат бөх чанар (ELI) | Хүүхдийн суулгац, нугасны саваа |
| 29-р анги | Рутений сайжруулсан зэврэлтэнд тэсвэртэй | Хүчиллэг орчны суулгац |
- ELI 23-р анги FDA-аас зөвшөөрөл авсан нугасны төхөөрөмжүүдийг давамгайлдаг - түүний хүчилтөрөгч/азотын хатуу хяналт нь мөчлөгийн ачааллын дор хэврэг гэмтэл гарахаас сэргийлдэг.
Дэлхийн материалын стандартууд: Бүс нутгийн ялгааг удирдах
| Бүс нутаг | Үндсэн стандарт | Өвөрмөц шаардлага |
|---|---|---|
| АНУ-ын | ASTM F136 | Хүчилтөрөгч ≤ 0.13% (5-р зэрэг) |
| EU | ISO 5832-3 | Ванади ≤ 4.5% |
| Хятад улс | YY / T 0660 дугаартай | Никель ул мөр ≤ 0.05% |
| Япон | JIS T 7401-6 | Гадаргуугийн барзгар байдал Ra ≤ 0.8 μm |
Японы дүрэм журам нь бүс нутгийн дасан зохицох жишээг харуулж байна - гөлгөр суулгацын гадаргуу нь остеоартрит өвчнөөр өвчилдөг өндөр настнуудад тоосонцор үүсэхийг багасгадаг.
Гадаргуугийн инженерийн хувьсгал
"Орчин үеийн титан гадаргуу нь зөвхөн ясыг орлохгүй, харин нөхөн төлжих чадварыг идэвхжүүлдэг."
– Доктор Елена Риккарди, Ортопедийн биоматериалын лабораторийн Рицзоли институт
| Техник | Механизм | Эмнэлзүйн ашиг тус |
|---|---|---|
| Плазмаар цацсан HA | 50-100 мкм кальцийн фосфатын давхарга | Нүцгэн Ti-тэй харьцуулахад 40% илүү хурдан ясны интеграци |
| Аноджуулсан нано хоолой | Өөрөө зохион байгуулалттай TiO₂ нано нүх сүв | Остеобластын наалдацыг 300% нэмэгдүүлсэн |
| Ag/TiO₂ бүрээс | Фотокаталитик бактерийн эсрэг үйлдэл | 99.7% буурсан aureus biofilm |
Үйлдвэрлэлийн шилдэг байдал: ембүүгээс имплант хүртэл
Уламжлалт давтах нь титаны ширхэгийн бүтцийг сайжруулж, ташааны ишний өндөр мушгиралтын хүчийг тэсвэрлэдэг. Үүний зэрэгцээ, электрон цацраг хайлуулах (EBM) 3D хэвлэх нь боловсруулалтаар боломжгүй нарийн төвөгтэй торны геометрийг бий болгодог. Stryker-ийн TRITANIUM® торыг авч үзье: тэдгээрийн гироид бүтэц нь нугаламын биетэй тохирч шахалтын бат бэхтэй 70% сүвэрхэг чанарыг бий болгодог.
Зохицуулалтын саад тотгор: Материал төвтэй дагаж мөрдөх
Материаллаг өөрчлөлт нь бүрэн дахин мэргэшүүлэх шалтгаан болдог. Титан нийлүүлэгчийг солихдоо үйлдвэрлэгчид дараахь зүйлийг хийх ёстой.
- ISO 10993-5 (цитотоксик) ба 10993-6 (суулгац) стандартын дагуу био нийцтэй байдлыг дахин баталгаажуулах.
- ASTM F382 (ясны хавтан) эсвэл F2077 (нугалам хоорондын төхөөрөмж) дагуу механик туршилтыг давтан хийнэ.
- Тээрмийн гэрчилгээ, дулааны боловсруулалтын бүртгэлээр дамжуулан мөрдөх боломжтой
Ирээдүйн хил хязгаар: Дараагийн үеийн титан технологи
Хэлбэр санах ойтой нитинол-титан эрлийзүүд нь одоо өөрөө тэлдэг нурууны хоорондын биетүүдийг бий болгох боломжийг олгодог. 8 мм-ийн саваа хэлбэрээр хамгийн бага инвазив байдлаар байрлуулсан эдгээр нь 14 мм-ийн тор хүртэл байрандаа тэлж, нарийн төвөгтэй угсралтыг арилгадаг. Био шингээдэг магни-титан композитууд нь бас нэгэн үсрэлтийг илэрхийлдэг. Charité Berlin-д Mg-Ti нугасны эрэг нь 2 жилийн дотор бүрэн задарч, шинэ яс үлдээдэг.
Зардлын инженерчлэл ба тогтвортой байдал
Хятадын Баоти Групп зэрэг компаниудын хэрэгжүүлсэн хаалттай давталтын дахин боловсруулалтын санаачилгууд нь одоо боловсруулалтын хэлтэрхийнүүдийн 92%-ийг сэргээж байна. Эрчим хүч ихтэй Кролл процессын титан нь үйлдвэрлэсэн кг тутамд 25 кг CO₂ ялгаруулдаг хэвээр байгаа (хөнгөн цагааны хувьд 1.5 кг-тай харьцуулахад) боловч эмнэлгүүдийн ойролцоох орон нутгийн боловсруулалтын төвүүд нь логистикийн ялгарлыг 40%-иар бууруулж байна.
Дүгнэлт
Ортопедийн хувьд титан нь хэрэгцээ, боломжийн материал хэвээр байна. Боловсруулалтын техник нь хиймэл оюун ухаанд суурилсан хайлш загвараас тогтвортой хаалттай үйлдвэрлэл рүү шилжихийн хэрээр түүний био нийцтэй байдал, олон талт байдлын нэгдэл нь титаныг ирэх үеийнхэнд ортопедийн инновацийн жинхэнэ араг ясыг бүрдүүлсээр байх болно.
Ашигласан материал
- Олон улсын ASTM. F136-13: Цутгамал титан-6 хөнгөн цагаан-4 ванадий ELI хайлшны стандарт үзүүлэлт (2023).
- Geetha, M., et al. "Ти дээр суурилсан биоматериал, ортопедийн суулгацын эцсийн сонголт - тойм." Материалын шинжлэх ухааны ахиц дэвшил (2022).
- ЕХ-ны эмнэлгийн хэрэгслийн журам 2017/745, Хавсралт I.
- Zhang, LC, et al. "Нэмэлтээр үйлдвэрлэсэн титан сүвэрхэг шатууд: боловсруулалт, бичил бүтэц, механик ажиллагаа." ЖОМ (2021).
- Жонсон ба Жонсон. Ортопедийн суулгац дахь никель арилгах: Материал судлалын тойм (Техникийн цагаан цаас).